大跨空间预应力钢结构索力检测技术研究

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近年来,预应力空间结构在我国蓬勃发展,大量工程涌现。预应力拉索作为空间预应力钢结构的核心构件,其受力状况是评估空间预应力钢结构健康状态的重要依据。准确地了解拉索的索力是确保空间预应力钢结构使用安全的前提。   本文首先总结和比较了目前常用的几种索力测试方法,主要有频率法、磁通量法、压力传感器法等。频率法以其优越性,是目前运营中预应力拉索索力测试的最佳选择。   频率法主要是基于拉索的自由振动方程,目前存在的理论有三类:第一类主要是忽略垂度和抗弯刚度影响的张紧弦理论,第二类主要是考虑垂度而忽略抗弯刚度影响的现代索理论,第三类主要是考虑抗弯刚度而忽略垂度影响的受轴向荷载的梁振动理论。本文就这三种理论给出公式推导,并分析了各种理论的适用范围及局限性。   预应力斜拉网格结构是空间预应力钢结构的重要组成部分,本文结合现场索力测试实践,总结出此类结构较为准确的索力计算公式:精确考虑拉索抗弯刚度及附加质量影响,视索的两端为铰支并且忽略垂度影响的索力计算公式。并对测试过程中的激励、信号处理、基频推算做了详尽的阐述。   平面索杆系结构由于存在中间支撑,其边界条件更为复杂,常规的频率法索力测试公式对此类结构不适用。经过有限元模态分析后得知,此类结构的动力特性是:平面外刚度远小于平面内刚度,低阶自振模态以平面外振动为主。根据这种动力特性,提出了一种基于平面外自振频率测试平面索杆系索力的平面外频率法,将平面索杆系中的连续短索转化为平面外的长索,通过实测平面外自振频率和建立索力-平面外自振频率的关系公式来确定索力,并结合沈阳展览中心的工程实践,对该方法的工程适用性做了验证。   对于几何拓扑关系明确的索系,提出了建立在最基本的结构静力平衡理论和最简单的静力检测手段基础上的索力检测静力平衡法:索力只与索段中任意三点相对位置有关。这避免了常用的索力测定方法识别精度受拉索端部条件影响较大的缺陷。而现代测试技术的快速发展,为本方法的提出提供了技术保证。   有限元模型修正技术近年来在结构健康检测领域方兴未艾。通过对拟测量的拉索结构建立有限元模型,继而进行有限元模型修正,使理论值与实验值吻合,此时提取出来的拉索索力即为真实索力。采用人工边界条件法通过对人工边界条件频率的提取,可很大程度上扩大结构的频响反应数据库,达到修正拉索结构模型的目的。该方法理论上可解决任何索结构的索力测试问题。   EM方法可以方便快捷、准确的测定索在张拉过程中的索力,具有较好的稳定性和可重复性,满足施工过程和使用过程监测的要求。
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